DE3929332A1 - Selbstformende schraube - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine selbstformende Schraube mit einem
zylindrischen Schaftabschnitt, einem daran angrenzenden Konus
abschnitt und einem auf Schaft- und Konusabschnitt aufgebrachten
Gewindegang.
Es sind bereits Schrauben, Selbstbohrschrauben, Gewindebohrer usw.
bekanntgeworden, die aufgrund bestimmter Gewindeformen, Gewinde
kerbungen, Gewindesteigungen und Schmiermittelbeschichtungen ver
ringerte Einschraubmomente aufweisen. Dieser Effekt ist besonders
bei dicken bzw. harten Werkstoffen erwünscht, z.B. bei durch Ver
zinken korrosionsgeschützter Schrauben. Die bekannten Maßnahmen
sind jedoch auch in Verbindung miteinander in bestimmten Anwen
dungsfällen nicht ausreichend, so daß es teilweise zum Torsions
bruch der Schraubteile kommt.
Aus der DE-PS 31 17 624 ist bereits eine gattungsgemäße
Universalschraube bekanntgeworden, bei der der Gewindegang
in einem an eine Schraubenspitze anschließenden Anfangs
abschnitt bei gleichbleibender Höhe über mehrere Windungen
einen kleineren Scheitelwinkel als im darauffolgenden
Schaftabschnitt aufweist. Im Anfangsabschnitt kann der
Scheitelwinkel 20° bis 30° betragen, wogegen er im Schaft
abschnitt etwa 40° bis 60° hat. Infolgedessen ist das Ein
schraubmoment für den Anfangsabschnitt und den sich daran
anschließenden Schaftabschnitt der Schraube nicht beson
ders hoch. Jedoch weist es insbesondere für den Anfangs
abschnitt immer noch verbesserungswürdige Werte auf, weil
die Gewindegangtiefe in Anfangsabschnitt und Hauptgewinde
gang übereinstimmt, obwohl der Anfangsabschnitt die wesent
liche Verformung für das Erzeugen eines Muttergewindes
bewirkt. Der veränderliche Scheitel- oder Flankenwinkel
kann die erwünschte Herabsetzung des Einschraubmomentes
für den Anfangsabschnitt nicht bewirken.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, das Einschraubmoment für eine selbstformende
Schraube weiter zu vermindern.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß
der Konusabschnitt der gattungsgemäßen Schraube mehrere
gleichmäßig über den Schraubenumfang verteilt angeordnete,
erste Konusabschnittsteile mit einem ersten Konuswinkel
und mehrere zwischen den ersten Konusabschnittsteilen an
geordnete, zweite Konusabschnittsteile mit einem zweiten
Konuswinkel hat, der kleiner als der erste Konuswinkel ist.
Eine erfindungsgemäße Schraube hat also nahe ihrer Schrau
benspitze erste und zweite Konusabschnittsteile mit ver
schiedenen Konuswinkeln, die über den Schraubenumfang
gesehen abwechselnd angeordnet sind. Die zweiten Konus
abschnittsteile mit dem kleineren Konuswinkel stehen radial
weiter hervor als die ersten Konusabschnittsteile, so daß
der Gewindegang im Konusabschnitt überwiegend auf den
zweiten Konusabschnittsteilen ausgebildet ist. Dagegen
nimmt die Gewindeprofilierung mit zunehmendem Abstand von
der Verbindungsstelle von Schaft- und Konusabschnitt auf
den ersten Konusabschnittsteilen stärker als auf den zwei
ten Konusabschnittsteilen ab, weil die ersten Konusab
schnittsteile eine geringere Radialausdehnung haben. Der
Gewindegang ist demzufolge im Konusabschnitt über den
Schraubenumfang gesehen auf den zweiten Konusabschnitts
teilen stärker und den ersten Konusabschnittsteilen
schwächer und teilweise überhaupt nicht ausgebildet. Dies
bedingt ein erheblich verringertes Einschraubmoment der
Schraube, wenn der Konusabschnitt in eine Vorbohrung ein
geschraubt wird und überwiegend Gewindegangabschnitte an
den zweiten Konusabschnittsteilen greifen. Der Gewinde
gang im Konusabschnitt bildet somit ein Formgewinde, wel
ches die Gewindenut im Werkstück allmählich formt. Auf dem
Schaftabschnitt bildet der Gewindegang ein Traggewinde,
welches die Schraube in der voll ausgeprägten Gewindenut
hält.
Der Gewindegang der erfindungsgemäßen Schraube kann bei
spielsweise durch Gewindewalzen erzeugt werden. Zur Ferti
gungsvereinfachung kann der Gewindegang einen unveränder
lichen Flankenwinkel und eine konstante Ganghöhe aufweisen.
Dabei kann er verschiedene Geometrien haben, die jedoch
nur im Schaftabschnitt voll ausgeprägt sein müssen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet
der Scheitel des Gewindeganges im Konusabschnitt eine zur
Schraubenspitze hin verjüngte Konusteilfläche, deren Konus
winkel größer als der Konuswinkel der zweiten Konusab
schnittsteile ist. Somit nimmt die Ganghöhe des Gewinde
ganges auf dem Konusabschnitt zur Schraubenspitze hin ab,
so daß besonders niedrige Einschraubmomente erzielt werden.
Mit zunehmender Einformung der Gewindenut in das Werkstück
beim Eindrehen der Schraube nimmt die Ganghöhe des ein
greifenden Gewindegangteiles allmählich zu, so daß ein
etwa konstantes Eindrehmoment erreicht wird, bis das Trag
gewinde des Schaftabschnittes greift. Durch Gewindewalzen
kann der Gewindegang gemäß der Weiterbildung auf einfache
Weise erzeugt werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung hat die Schraube jeweils
zwei erste und zweite Konusabschnittsteile, wodurch eine
einfache Herstellung gesichert ist. Bei einer praktisch
bevorzugten Ausgestaltung sind die zweiten Konusabschnitts
teile insgesamt über etwa 40% des Schraubenumfanges er
streckt, wobei sich eine erhebliche Minderung des Ein
schraubmomentes bei günstiger Gewindeschneidwirkung ergibt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die ersten Konus
abschnittsteile auf der vom Schaftabschnitt abgewandten
Seite mit einem Stiftabschnitt verbunden, auf dessen zylin
drischem Umfangsmantel die zweiten Konusabschnittsteile
auslaufen, wobei angrenzend an die Schraubenspitze ein
vollzylindrischer Einführstiftabschnitt ausgebildet ist.
Der Einführstiftabschnitt zentriert die Schraube beim Ein
setzen in eine durch einen Bohrer oder eine schrauben
eigene Bohrspitze gebildete Vorbohrung, so daß eine gut
zentrierte und voll ausgeprägte Gewindenut in das Werk
stück geschnitten wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat der Ge
windegang auf dem Konusabschnitt einen Flankenwinkel, der
geringer ist als ein Flankenwinkel des Gewindeganges auf
dem Schaftabschnitt. Der Gewindegang auf dem Konusabschnitt
bildet somit ein Formgewinde, welches die Gewindenut ledig
lich vorformt. Ihre endgültige Form erhält die Gewindenut,
wenn der Schaftabschnitt in die Bohrung eingedreht wird,
weil dann der vergrößerte Flankenwinkel einen weiteren
Materialfluß bewirkt. Somit wird die Formung der Gewinde
nut auf einen größeren Bereich des Gewindeganges erstreckt,
so daß sich eine weitere Verminderung des Einschraubmo
mentes ergibt. Dabei kann der Flankenwinkel des Gewinde
ganges im Verbindungsbereich von Konusabschnitt und
Schaftabschnitt wechseln, so daß der Schaftabschnitt voll
mit einem Traggewinde belegt ist.
Eine weitere Verminderung des Einschraubmomentes ergibt
sich jedoch, wenn der Gewindegang auf dem Schaftabschnitt
angrenzend an den Konusabschnitt ein Fließgewinde mit
einem Flankenwinkel hat, der geringer ist als ein Flanken
winkel eines an das Fließgewinde grenzenden Traggewindes.
Hierbei wird die Gewindenut des Werkstückes von dem Form
gewinde auf dem Konusabschnitt vorgeformt, wird die
vorgeformte Nut von dem anschließenden Fließgewinde
geringfügig weiterverformt und schließlich die endgültige
Nutform beim Eingreifen des Traggewindes und dem hiermit
verbundenen Wechsel im Flankenwinkel erreicht. Die Aus
dehnung der Gewindeformung über einen noch größeren Ab
schnitt des Gewindeganges vermindert das Eindrehmoment
weiter, wobei Fließgewinde und Traggewinde in beinahe
gleichem Maße eine Kraftübertragung zwischen Gewindenut
und Gewindegang beteiligt sind und die Schraube gegen
Herausreißen sichern.
Bei einer praktischen Ausgestaltung hat das Formgewinde im
Konusabschnitt bzw. das Fließgewinde im Schaftabschnitt
einen Flankenwinkel im Bereich von 30° bis 45°, vorzugs
weise einen Flankenwinkel von 40° und das Traggewinde im
Schaftabschnitt einen Flankenwinkel von etwa 60°. Die
Flankenwinkel von Formgewinde und Fließgewinde können
übereinstimmen, können aber auch im angegebenen Bereich
differieren, z.B. Grenzwerte des Bereiches besetzen.
Wenn der Gewindegang am Gewindescheitel bzw. Gewindegrund
abgerundet ist, wird ein besserer Materialfluß beim Formen
der Gewindenut erzielt und neben einer Reduzierung des Ge
windeformmomentes eine Reibschweißung zwischen Schraube
und Werkstück während des Formungsvorganges reduziert bzw.
vermieden.
Schließlich kann der Gewindegang eine konstante Ganghöhe
haben, wodurch die Schraubenherstellung vereinfacht ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der zugehörigen Zeichnung, die eine erfindungsgemäß aus
gebildete Schraube in schematischer Darstellung zeigt. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schraube mit Formgewinde, Fließgewinde und
Traggewinde in Vorderansicht;
Fig. 2 einen Rohling für dieselbe Schraube ebenfalls in
Vorderansicht;
Fig. 3 denselben Rohling in der Seitenansicht.
Die in der Fig. 1 dargestellte Schraube hat einen linsen
förmigen Schraubenkopf 1 mit einer Ausnehmung 2 zum form
schlüssigen Einsetzen eines Eindrehwerkzeuges. Der Schrau
benkopf 2 ist mit einem Schaftabschnitt 3 verbunden, an
dem wiederum ein Konusabschnitt 4 angrenzt, der in einen
Stiftabschnitt 5 ausläuft. An einer Schraubenspitze geht
der Stiftabschnitt 5 in einen Einführstiftabschnitt 6 über.
Konusabschnitt 4 und Schaftabschnitt 3 tragen einen Gewin
degang 7, welcher auf dem Konusabschnitt 4 ein Formgewinde
mit der Längsausdehnung y bildet und auf dem Schaftab
schnitt in ein Fließgewinde von der Ausdehnung z und ein
Traggewinde von der Ausdehnung x zerfällt. Im Ausführungs
beispiel hat der Gewindegang im Schaftabschnitt 3 ein
dreiecksförmiges Profil. Im Konusabschnitt 4 bildet der
Scheitel des Gewindeganges 7 eine Konusteilfläche 8, deren
Konuswinkel den Konuswinkel des Konusabschnittes 4 über
steigt, so daß die Ganghöhe des Gewindeganges auf dem
Konusabschnitt 4 zur Schraubenspitze hin abnimmt.
Der Flankenwinkel α1 des Gewindeganges 7 beträgt auf dem
Konusabschnitt 4 und im Bereich des Fließgewindes auf dem
Schaftabschnitt 3 etwa 40°. Im Bereich des Traggewindes
auf dem Schaftabschnitt 3 hat der Gewindegang 7 einen
Flankenwinkel α2 von etwa 60°.
Zum Eindrehen der Schraube wird zunächst der Einführstift
abschnitt 6 in eine Vorbohrung des Werkstückes eingesetzt.
Beim Eindrehen greift der Gewindegang 7 zunächst mit einer
geringen Ganghöhe ein, wobei mit dem Verformungsfortschritt
der Gewindenut auch die Ganghöhe im Konusabschnitt 4 an
steigt. Nachdem das Formgewinde auf dem Konusabschnitt 4
vollständig eingedreht ist, bewirkt das Eindrehen des
Fließgewindes auf dem Schaftabschnitt 3 ein gleichmäßiges
Fließen des Werkstoffes um die vorgeformte Gewindenut
herum, wodurch Spannungen im Werkstück abgebaut werden.
Schließlich erhält die Gewindenut mit dem Eingriff des
Traggewindes und dem damit verbundenen Wechsel des Flanken
winkels von 40° auf 60° ihre endgültige Form.
Vor dem Erzeugen des Gewindeganges 7 wird ein Schrauben
rohling 9 gemäß den Fig. 2 und 3 hergestellt. An dem
Schraubenrohling sind bereits der Schraubenkopf 1 und der
Einführstiftabschnitt 6 endgültig ausgeprägt. Ein vorbe
reiteter Schaftabschnitt 3′ hat einen Durchmesser, der den
des fertigen Schaftabschnittes 3 etwas übersteigt, weil
beim Walzen des Gewindeganges 7 Material verdrängt wird.
Gleiches gilt für den vorgeformten Konusabschnitt 4′ und
4′′, wobei 4′ erste Konusabschnittsteile und 4′′ zweite
Konusabschnittsteile bezeichnet, die über den Schrauben
umfang abwechselnd und gleichmäßig verteilt angeordnet
sind. Die Konusabschnittsteile 4′ und 4′′ beginnen am Ver
bindungsquerschnitt von Schaftabschnitt 3′ und Konusab
schnitt 4′, 4′′ und haben eine verschiedene Längenausdeh
nung, weil sie verschiedene Konuswinkel aufweisen. Die
ersten Konusabschnittsteile 4′ grenzen an den Stiftab
schnitt 5 an, auf dessen zylindrischem Umfangsmangel die
zweiten Konusabschnittsteile 4′′ auslaufen.
Beim Gewindewalzen mittels zylindrischer Walzwerkzeuge auf
den Schraubenrohling 9 entsteht unmittelbar ein Gewinde
gang 7 mit den in der Fig. 1 dargestellten Merkmalen.
Eine erfindungsgemäße Schraube erzeugt eine gut durchgebil
dete Gewindenut, in die auch eine handelsübliche Schraube
mit einem dem Traggewinde entsprechenden durchgehenden
Normalgewinde, beispielsweise einem metrischen Gewinde,
eindrehbar ist.
Claims (10)
1. Selbstformende Schraube mit einem zylindrischen Schaft
abschnitt (3), einem daran angrenzenden Konusabschnitt
(4) und einem auf Schaft- und Konusabschnitt aufge
brachten Gewindegang (7), dadurch gekennzeichnet, daß
der Konusabschnitt (7) mehrere gleichmäßig über den
Schraubenumfang verteilt angeordnete, erste Konusab
schnittsteile (4′) mit einem ersten Konuswinkel und
mehrere zwischen den ersten Konusabschnittsteilen ange
ordnete, zweite Konusabschnittsteile (4′′) mit einem
zweiten Konuswinkel hat, der kleiner als der erste
Konuswinkel ist.
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Scheitel des Gewindeganges (7) im Konusabschnitt
(4) eine zur Schraubenspitze hin verjüngte Konusteil
fläche (8) bildet, deren Konuswinkel größer als der
Konuswinkel der zweiten Konusabschnittsteile (4′) ist.
3. Schraube nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß jeweils zwei erste und zweite Konus
abschnittsteile (4′, 4′′) vorgesehen sind.
4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zweiten Konusabschnittsteile (4′′)
insgesamt über etwa 40° des Schraubenumfanges erstreckt
sind.
5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ersten Konusabschnittsteile (4′)
auf der vom Schaftabschnitt (3) abgewandten Seite mit
einem Stiftabschnitt (5) verbunden sind, auf dessen
zylindrischem Umfangsmantel die zweiten Konusabschnitts
teile (4′′) auslaufen, wobei angrenzend an die Schrau
benspitze ein vollzylindrischer Einführstiftabschnitt
(6) ausgebildet ist.
6. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gewindegang auf dem Konusabschnitt
(4) einen Flankenwinkel (α1) hat, der geringer ist als
ein Flankenwinkel (α2) des Gewindeganges auf dem
Schaftabschnitt (3).
7. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) auf dem Schaft
abschnitt (3) angrenzend an den Konusabschnitt (4) ein
Fließgewinde mit einem Flankenwinkel (α1) hat, der
geringer ist als ein Flankenwinkel (α2) eines an das
Fließgewinde grenzenden Traggewindes.
8. Schraube nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) im Konusabschnitt
(4) bzw. das Fließgewinde des Gewindeganges im Schaft
abschnitt (3) einen Flankenwinkel (α1) im Bereich von
30° bis 45°, vorzugsweise einen Flankenwinkel von 40°
hat und daß das Traggewinde des Gewindeganges einen
Flankenwinkel (α2) von etwa 60° hat.
9. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) am Gewindescheitel
bzw. Gewindegrund abgerundet ist.
10. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) eine konstante
Ganghöhe hat.
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